受大自然的啟發(fā)，美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）的研究人員與華盛頓州立大學(xué)的合作者一起，創(chuàng)造了一種能夠捕捉光能的新型材料。這種材料提供了一種高效的人工光收集系統(tǒng)，在光伏和生物成像方面具有潛在的應(yīng)用。

這項(xiàng)研究為克服創(chuàng)建分層功能性有機(jī)-無(wú)機(jī)混合材料所涉及的困難挑戰(zhàn)提供了基礎(chǔ)。自然界提供了分層結(jié)構(gòu)混合材料的例子，如骨骼和牙齒。這些材料通常展示了精確的原子排列，使它們能夠?qū)崿F(xiàn)許多特殊的性能，如增加強(qiáng)度和韌性。

PNNL材料科學(xué)家，本研究的通訊作者陳春龍和他的合作者創(chuàng)造了一種新材料，反映了天然混合材料的結(jié)構(gòu)和功能的復(fù)雜性。這種材料結(jié)合了類似蛋白質(zhì)的合成分子的可編程性和基于硅酸鹽的納米團(tuán)塊的復(fù)雜性，創(chuàng)造了一類新的高度堅(jiān)固的納米晶體。然后他們對(duì)這種二維混合材料進(jìn)行編程，創(chuàng)造出一個(gè)高效的人工光收集系統(tǒng)。

“太陽(yáng)是我們最重要的能源，”陳春龍說(shuō)�！拔覀兿肟纯次覀兪欠衲軐�(duì)我們的混合納米晶體進(jìn)行編程，以收獲光能--就像天然植物和光合菌一樣--同時(shí)實(shí)現(xiàn)合成系統(tǒng)中所看到的高魯棒性和可操作性�！边@項(xiàng)研究的結(jié)果于5月14日發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

大夢(mèng)想，小晶體 

盡管這些類型的分層結(jié)構(gòu)材料異常難以創(chuàng)造，但陳春龍所在的多學(xué)科科學(xué)家團(tuán)隊(duì)結(jié)合他們的專業(yè)知識(shí)，合成了一種能夠形成這種排列的序列定義的分子。研究人員創(chuàng)造了一個(gè)改變的類似于蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)，稱為peptoid，并將一個(gè)精確的基于硅酸鹽的籠狀結(jié)構(gòu)（簡(jiǎn)寫(xiě)為POSS）連接到它的一端。然后他們發(fā)現(xiàn)，在適當(dāng)?shù)臈l件下，他們可以誘導(dǎo)這些分子自我組裝成二維納米片的完美形狀的晶體。這創(chuàng)造了另一層類似于細(xì)胞膜的復(fù)雜性，類似于在自然分層結(jié)構(gòu)中看到的，同時(shí)保留了單個(gè)分子的高穩(wěn)定性和增強(qiáng)的機(jī)械性能。

陳春龍表示：“作為一名材料科學(xué)家，大自然為我提供了大量的靈感。每當(dāng)我想設(shè)計(jì)一個(gè)分子來(lái)做一些特定的事情，比如作為一個(gè)藥物輸送工具，我?guī)缀蹩偸悄苷业揭粋�(gè)自然的例子來(lái)模擬我的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)生物啟發(fā)材料

一旦該團(tuán)隊(duì)成功創(chuàng)建了這些POSS-eptoid納米晶體，并證明了其獨(dú)特的特性，包括高可編程性，他們就開(kāi)始利用這些特性。他們對(duì)材料進(jìn)行編程，使其在特定的位置和分子間的距離上包含特殊的功能團(tuán)。由于這些納米晶體結(jié)合了POSS的強(qiáng)度和穩(wěn)定性以及Peptoid構(gòu)件的可變性，編程的可能性是無(wú)窮的。

科學(xué)家們?cè)俅螐拇笞匀恢袑ふ异`感，創(chuàng)造了一個(gè)能夠以植物中發(fā)現(xiàn)的色素的方式捕捉光能的系統(tǒng)。他們?cè)黾恿艘粚?duì)特殊的“供體”分子和籠狀結(jié)構(gòu)，可以在納米晶體內(nèi)的精確位置結(jié)合一個(gè) "受體 "分子。供體分子吸收特定波長(zhǎng)的光，并將光能轉(zhuǎn)移到受體分子上。然后受體分子發(fā)出不同波長(zhǎng)的光。這個(gè)新創(chuàng)建的系統(tǒng)顯示了超過(guò)96%的能量轉(zhuǎn)移效率，使其成為迄今為止報(bào)告的最有效的水性光收集系統(tǒng)之一。

展示POSS-peptoids在光收集方面的用途

為了展示該系統(tǒng)的用途，研究人員隨后將納米晶體插入活的人類細(xì)胞中，作為活細(xì)胞成像的生物兼容探針。當(dāng)某種顏色的光照在細(xì)胞上，并且接受體分子存在時(shí)，細(xì)胞會(huì)發(fā)出不同顏色的光。當(dāng)受體分子不存在時(shí)，就觀察不到顏色的變化。盡管到目前為止，該團(tuán)隊(duì)只證明了這一系統(tǒng)對(duì)活體細(xì)胞成像的有用性，但這種二維混合材料的增強(qiáng)特性和高度可編程性使他們相信這是許多應(yīng)用中的一個(gè)。

陳春龍表示：“盡管這項(xiàng)研究仍處于早期階段，但POSS-eptoid二維納米晶體的獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征和高能量轉(zhuǎn)移有可能被應(yīng)用于許多不同的系統(tǒng)，從光伏到光催化。他和他的同事將繼續(xù)探索這種新混合材料的應(yīng)用途徑�！�

相關(guān)鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/20/eabg1448